聚合物改性再生骨料透水砖的性能研究

2018-03-09李鹏

新型建筑材料 2018年2期

李鹏

（湖北大学校园建设与管理处，湖北武汉 430062）

随着国内城市现代化建设步伐的加快，城市硬化混凝土路面覆盖率逐年增加，导致路面雨水蓄积和内涝，加重了交通拥堵和经济损失[1]。再生骨料是采用废弃混凝土经清洗、破碎、分级而得到的具有一定级配范围的骨料，是建筑垃圾资源化利用的主要方式[2]。再生骨料与天然骨料相比具有强度较低，吸水率大，表面粗糙等缺点，需对其进行改性增强处理才能加以利用。再生骨料透水性混凝土制品是再生骨料资源转化的新途径，可起到增加地表水“吸收、渗透、蓄积及蒸发”循环和改善城市生态环境的作用，为海绵城市建设中水资源的循环利用提供有效借鉴[3]。本文通过聚合物乳液对再生骨料透水砖进行改性增强，探究聚合物改性的微观机理，达到透水砖强度与透水性的匹配效果。

1 试验

1.1 原材料

水泥：武汉华新P·O42.5水泥，表观密度3.05 g/cm3，0.045 mm筛筛余为6.5%，初凝时间200 min，终凝时间340 min，3、28 d抗压强度分别为28.2、49.5 MPa，抗折强度分别为5.3、8.2 MPa，安定性合格。

聚合物乳液：汉中化工生产的H123水性环氧及郑州新启顺化工生产的XQS-200苯丙乳液，其主要技术参数见表1、表2。

表1 H123水性环氧的主要技术参数

表2 XQS-200苯丙乳液的主要技术参数

再生骨料：武汉某再生资源有限公司产3～5 mm再生细骨料，表观密度2750 kg/m3，紧密堆积密度1660 kg/m3，空隙率39.6%，吸水率4.24%。

辅助材料：江苏苏博特PCA-Ⅰ型聚羧酸减水剂，含固量13.4%，减水率23.7%；透水砖专用无机铁红，有效含量96.0%。

1.2 配比计算

透水砖的配合比计算依据填充包裹理论形成的骨料-空隙结构进行。首先测试3～5mm再生骨料的表观密度γa（kg/m3）和紧密堆积密度γb（kg/m3），从而求得骨料的空隙率Vv（%），再利用水泥和水的体积对部分空隙进行填充。具体计算过程如下：

骨料用量mG按式（1）计算：

式中：γa、γb——再生骨料的表观密度和紧密堆积密度，kg/m3；

Vv——骨料的空隙率，%；

P——再生骨料透水砖设计目标空隙率，%；

ρc——水泥的密度，kg/m3；

ρw——水的密度，kg/m3；

W/C——试验设定水灰比，取0.25。

mG、mc、mw——骨料、水泥、水用量，kg/m3。

选用3～5 mm单级配再生骨料进行配合比设计，聚合物掺量占水泥质量的0、2%及5%，减水剂掺量固定为水泥质量的1.0%，水灰比0.25，基本配比见表3。其中A为空白系列，B为环氧系列，C为苯丙系列。

表3 聚合物改性再生骨料透水砖配合比

1.3 试件制备

按设计配合比称取原材料，先将再生骨料和50%的用水量、聚合物乳液混合搅拌2 min，保证集料表面基本润湿，再加入水泥、减水剂及剩余水混合搅拌3 min。采用专用制砖机静压工艺模压成型，控制压力50 kN，稳压5 s，透水砖尺寸为50 mm×100 mm×200 mm；采用取芯机制作Φ75 mm×50 mm试件供透水性能测试用。

透水砖的强度、透水/保水性能参照JC/T 945—2005《透水砖》进行测试。

2 试验结果

表4给出了不同聚合物种类及掺量、不同设计空隙率的再生骨料透水砖的实测空隙率、透水系数、保水率、28 d抗压强度及抗折强度的测试结果。

表4 聚合物改性再生骨料透水砖的性能指标

2.1 设计空隙率对透水砖28 d抗压和抗折强度的影响（见图1）

图1 设计空隙率对透水砖28 d抗压、抗折强度的影响

由图1（a）可见，再生骨料透水砖抗压强度随设计空隙率的增加而逐渐降低；在设计空隙率不变的情况下，透水砖的抗压强度随聚合物掺量的增加而提高，呈正相关。水性环氧树脂较苯丙乳液对再生骨料粘附效果更好，2%的环氧树脂使得15%、20%及25%空隙率的透水砖抗压强度较空白系列分别提高了6.2%、3.5%、2.8%，说明高空隙率下环氧树脂的增强效果会有所减弱；而当环氧树脂掺量提高到5%后，抗压强度较空白系列分别增加了25.9%、10.0%、14.3%，改性效果更加显著。在20%设计空隙率及2%聚合物掺量下，掺环氧树脂和苯丙乳液的28 d抗压强度较空白系列分别提高了3.5%和1.9%，水性环氧树脂表现出良好的增强效果。

由图1（b）可见，聚合物的掺加对再生骨料透水砖的抗折强度也是有利的，并随设计空隙率的降低而具有更大的增强效果。

2.2 设计空隙率对透水砖透水/保水、实测空隙率的影响（见图2）

图2 设计空隙率对透水砖透水/保水、实测空隙率的影响

再生骨料透水砖内部存在封闭孔及连通孔结构，只有连通的孔结构才对透水砖的透水性有利。由图2（a）可以发现，聚合物的添加使得透水砖的透水系数会稍微降低，并随掺量的增加降低程度越大；但由图2（b）可以看出，聚合物的添加使得透水砖的保水性得到增强，这与固化后部分聚合物表现出一定的疏水性有关，导致透水砖内部吸收水分不易渗出；由图2（c）可以看出，实测空隙率与设计空隙率具有良好的匹配性，聚合物掺量的增加会使透水砖的实测空隙率较空白组略微降低。

2.3 生产验证

根据上述2.1、2.2节分析，选择B2组配方（20%设计空隙率、掺加2%水性环氧树脂）进行再生骨料透水砖生产。在砖厂实际生产中，透水砖面层设置为彩色面层，彩色颜料占水泥质量的1.8%，产品实物见图3。批量生产抽样实测该透水砖28 d抗压强度为28.1 MPa，抗折强度为3.3 MPa，透水系数为0.29 mm/s，保水率为0.9 g/cm2。由于工厂中试时，在材料称量误差、设备搅拌均匀性及压砖机连续生产的稳定性等方面要优于实验室小试，均匀裹覆环氧树脂的透水砖骨料结合更紧密牢固，与实验室小试数据相比，体现在透水系数的略微降低和抗压强度的提高。

图3 试生产再生骨料彩色透水砖

3 聚合物改性微观分析

3.1 红外光谱与热重分析

对B2组与A2组再生骨料透水砖进行微观对比分析。去除A2及B2组基本配比中的骨料进行拌制，28 d后研磨成细粉，红外光谱分析见图4。

图4 水泥浆的红外光谱分析

从图4可以看出，环氧树脂的掺入使得3642 cm-1处吸收峰慢慢减弱，3642 cm-1为尖锐OH-的伸缩振动峰，说明环氧树脂让活性的羟基逐渐降低，从而推断出环氧树脂抑制了水泥水化产物氢氧化钙的形成。

在N2氛围下测试环氧水泥浆的热失重规律，测试温度30～800℃，升温速率 20℃/min，结果见图 5。

图5 环氧水泥浆的TG分析

从图5可以看出，掺加环氧树脂较未掺组多了320℃左右的失重峰，说明环氧固化物会在320℃发生热裂解反应，200～400℃失重曲线较平缓，具有良好的热稳定性。3.2 XRD 与SEM 分析（见图6、图7）

图6 环氧水泥浆的XRD分析

图7 环氧水泥浆的SEM照片（2000倍）

从图6可以看出，环氧树脂会抑制水泥水化，从C2S、C3S衍射峰可以得到验证，并且有分析认为水性环氧树脂吸附在水泥颗粒表面形成空间位阻效应，且环氧基可发生水解断裂与Ca2+形成酸碱络合物[5]，这个结果在SEM分析结果中可间接得到验证。由图7可以看出，2%环氧水泥浆结构密实度更高，环氧树脂固化物均匀地分布其中，而未掺组可以明显看出浆体间粘结疏松，表现出环氧树脂优异的界面联结效果。